专利名称：一种利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的方法
技术领域：
本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的方法。
背景技术：
我国是世界上竹资源最为丰富的国家，全国第六次森林资源清查统计显示，我国现有竹林面积突破480万hm2，主要分布在长江流域沿岸，种类多达500余种。根据 2010-2015年中国竹产业发展前景分析报告，竹产品年销售收入达亿元的企业可达9家， 5000万元以上的企业将达25家，产业涉及人造板、制浆造纸、医药、竹炭、旅游等行业。
丁醇既是大宗化工基础原料，又是一种优质燃料和燃料添加剂，易于与汽、柴油烃类燃料相混溶；丁醇的完全燃烧性，可大大降低尾气中的CO2排放，且不发生残留烃污染，对净化空气十分有利。这些优点使丁醇成为未来发动机新型绿色燃料，替代矿化燃料的可持续发展的再生能源之一。据统计，2012年全球丁醇表观消费量预计在350万吨，我国的丁醇消费量约120万吨，自给率不足50%。
利用竹子为原料生产生物丁醇，发挥竹资源固持CO2的巨大潜能，使丁醇燃烧过程中向空气中排放的少量CO2可重新被竹林资源完全吸收，并不断释放出更多的氧气，建立起 “低碳生态循环”的可持续发展模式。传统的丁醇生产主要是以玉米等粮食作物为原料，属于第一代生物燃料生产技术。面对我国耕地减少，粮食紧缺的问题，国家逐渐限制生物燃料的发展不能再继续“与粮争地”和“与人争粮”的发展模式。二代生物燃料的生产就是以大量的农作物剩余原材料，如秸杆、木屑和废纸等，也可以利用速生材或竹子等生长周期短的可再生资源发展生物燃料。二代生物燃料技术进一步延长了纤维原料的生命周期，提高了产品附加值，并且实现了可持续发展。
竹子加工企业利用生产中产生的大量废弃物，如竹枝、竹节、竹簧、竹屑和浆渣等作为生物燃料的直接原材料，实现竹资源的充分利用，不产生污染的二次转移和新增加CO2 排放。竹子水解之后可以得到含有葡萄糖和木糖混合物的水解液，且完全可以用于生物丁醇菌株的生长和发酵，是粮食发酵丁醇的理想替代原料。利用竹子发酵生产丁醇，不仅为竹子资源利用开发了新的途径，还可以实现竹子加工废弃物的再利用，同时为丁醇发酵提供了一种更廉价的原料。目前利用竹子生产燃料乙醇已见报道，但未见利用竹子生产丁醇的研究。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种利用竹子中的纤维素和半纤维发酵生产丁醇的方法，利用我国丰富的竹子资源为原料生产生物燃料丁醇，实现竹子加工废弃物的再利用，并且降低丁醇的生产成本。
本发明首先公开了一种利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的方法，具体步骤如下
I)预处理竹子原料粉碎获得竹粉后，将竹粉与水或稀硫酸混合，在140 170°C 温度下处理10 30min，获得预处理产物；
2)酶解调节预处理产物的pH值为4. 5 5. 5，向预处理产物中加入木聚糖酶、纤维素酶和葡萄糖苷酶进行酶解反应，获得酶解产物；
3)固液分离将前一步骤的酶解产物固液分离，取酶解产物的酶解液；
4)脱毒采用活性炭对步骤3)的酶解液进行脱毒，获得脱毒后的酶解液；
5)向脱毒后的酶解液中补充氮源制备发酵培养基,利用灭菌后的发酵培养基厌氧条件下发酵培养丁醇生产菌株，获得发酵产物；
6)发酵产物精馏，收集丁醇。
较优的，步骤I)所述粉碎为研磨粉碎或者超微气流粉碎。
较优的，步骤I)所述竹粉的粒径为10 2000目；更优的，步骤I)所述竹粉的粒径为1500 2000目。
较优的，步骤I)所述稀硫酸的浓度小于等于2wt%。本发明所述稀硫酸为硫酸的水溶液，并且其中硫酸的质量百分比大于0，小于等于2。
较优的，步骤I)所述竹粉与预处理液混合的固液比为1:6 1:12，优为选1:6 1:10。
较优的，步骤I)预处理反应温度条件为150 160°C。
预处理过程中主要为半纤维素发生降解，预处理产物中，液体主要成分为木糖，固体主要成分为纤维素和部分木质素；预处理产物直接用于后续的酶解。
较优的，步骤2)所述酶解反应的条件为酶解温度45 55°C，酶解时间45 60h， 摇床转速120 180rpm。
更优的，步骤2)所述酶解反应的条件为酶解温度为50°C，时间为48h，转速为 150r/mino
较优的，步骤2)中所述木聚糖酶用量为O. 1-1. 0IU/g底物，纤维素酶用量为 10-30FPU/g底物，β-葡萄糖苷酶用量为l-10CBU/g底物。
酶解产物经离心或过滤进行固液分离，酶解产物的液体成分主要为半纤维素和纤维素的降解产物木糖和葡萄糖，用于发酵丁醇；固体成分主要成分为木质素，可用于生产木塑复合材料等。
较优的，步骤4)脱毒过程中，活性炭用量为O. 5 3%w/v，即活性炭用量按酶解液体积算，为O. 5 3%w/v ;优选的，脱毒过程在摇床中进行,摇床转速为100 200r/min,最优为 150r/min。
较优的，步骤4)脱毒条件为40 60°C脱毒O. 5 3h。
较优的，步骤5)所述氮源为玉米浆、硫酸铵、醋酸铵或氯化铵。
更优的，步骤5)所述氮源的添加量为O. I I. 0%w/v。
制备的培养基105°C灭菌15min后接入丁醇生产菌株。
较优的，步骤5)所述丁醇生产菌株为能同时利用五碳糖和六碳糖为碳源的丁醇生产菌株；更优的，所述丁醇生产菌株为NCMB8052或ATCC55025。
较优的，步骤5)所述厌氧发酵的条件为35 38°C，发酵时间为40 50h。
本发明利用竹子中含量丰富的纤维素和半纤维素，将其水解之后可以得到含有葡萄糖和木糖的混合碳源，且完全可以用于生物丁醇菌株的生长和发酵，是过去粮食发酵丁醇的理想替代原料，不仅为竹子资源利用开发了新的途径，还可以实现竹子加工废弃物的再利用，同时为丁醇发酵提供了一种更廉价的原料。
图I :利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的生产流程图具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例I
对竹子(江西毛竹，Ph. pubescens)进行超微气流粉碎,称取经超微气流粉碎至粒径为2000目的竹粉5g，加入50mL、0. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比为1:10)，160°C反应 20min,调节水解液pH值为4. 8，加入木聚糖酶I. 0IU/g底物(购自诺维信公司)，纤维素酶 20FPU/g底(购自诺维信公司)物、β -葡萄糖苷酶lCBU/g底物(购自诺维信公司)，50°C酶解48h，摇床转速为100r/min。酶解液加入l%(w/v)活性炭50°C脱毒lh，脱毒转速lOOrpm， 清液加入1.0%(w/v)玉米浆粉，接NCMB8052菌株，37°C厌氧培养48h，发酵产物中，丁醇9.86g/L，总溶剂 11.63g/L。
实施例2
称取经超微气流粉碎至粒径为1500目的竹粉5g，加入40mL、2% (w/w)的硫酸溶液 (固液比为1:8)，170°C反应lOmin，调节水解液pH值为5. 0，加入木聚糖酶O. 5IU/g底物，纤维素酶30FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶10IU/g底物，50°C酶解48h，摇床转速为120r/min。酶解液加入I. 5%(w/v)活性炭60°C脱毒O. 5h，清液加入O. 3%(w/v)硫酸铵，摇床转速200rpm， 接NCMB8052菌株，35°C厌氧培养50h。发酵产物中丁醇7. 64g/L，总溶剂9. 08g/L。
实施例3
称取经普通粉碎至粒径为100目的竹粉5g，加入60mL、I. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比为1:12), 140°C反应30min,调节水解液pH值为4. 5，加入木聚糖酶O. lIU/g底物，纤维素酶30FPU/g底物、β -葡萄糖苷酶10CBU/g底物，55°C酶解45h，摇床转速为180r/min。 酶解液加入3%(w/v)活性炭40°C脱毒3h，清液加入0. l%(w/v)玉米浆，接NCMB8052菌株， 38°C厌氧培养40h。发酵产物中丁醇6. 33g/L，总溶剂8. 06g/L。
实施例4
称取经普通粉碎至粒径为20目的竹粉5g，加入30mL 0. 5% (w/w)的硫酸溶液(固液比为1:6)，150°C反应20min，调节水解液pH值为5. 5，加入木聚糖酶0. 8IU/g底物，纤维素酶10FPU/g底物、β-葡萄糖苷酶8CBU/g底物，45°C酶解60h，摇床转速为150r/min。酶解液加入O. 5%(w/v)活性炭50°C脱毒2h，清液加入O. 5%(w/v)玉米浆，接ATCC55025菌株， 37°C厌氧培养48h。发酵产物中丁醇7. 58g/L，总溶剂9. 34g/L。
实施例5
称取经超微气流粉碎至粒径为2000目的竹 粉5g，加入50mL水(固液比为1:10)， 165°C反应20min，调节水解液pH值为5. 0，加入木聚糖酶5. 0IU/g底物(购自诺维信公司)， 纤维素酶20FPU/g底(购自诺维信公司)、β-葡萄糖苷酶lCBU/g底物(购自诺维信公司)， 50°C酶解48h，摇床转速为100r/min。酶解液加入2%(w/v)活性炭50°C脱毒lh，清液加入I.5%(w/v)玉米浆粉，接NCMB8052菌株，37°C厌氧培养48h，发酵产物中，丁醇9. 86g/L，总溶剂 lL63g/L。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求
1.一种利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的方法，具体步骤如下O预处理竹子原料粉碎获得竹粉后，将竹粉与水或稀硫酸混合，在140 170°C温度下处理10 30min，获得预处理产物；2)酶解调节预处理产物的pH值为4.5 5. 5，向预处理产物中加入木聚糖酶、纤维素酶和β -葡萄糖苷酶进行酶解反应，获得酶解产物；3)固液分离将前一步骤的酶解产物固液分离，取酶解产物的酶解液；4)脱毒采用活性炭对步骤3)的酶解液进行脱毒，获得脱毒后的酶解液；5)向脱毒后的酶解液中补充氮源制备发酵培养基，利用灭菌后的发酵培养基厌氧条件下发酵培养丁醇生产菌株，获得发酵产物；6)发酵产物精馏，收集丁醇。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤I)所述稀硫酸的浓度小于等于2wt%。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤I)所述竹粉与水或稀硫酸混合的固液比为1:6 1:12。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤2)所述酶解反应的条件为酶解温度 45 55°C，酶解时间45 60h，摇床转速120 180rpm。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤2)酶解反应过程中酶的添加量为木聚糖酶O. I I. Ο υ/g底物，纤维素酶10 30FPU/g底物，β -葡萄糖苷酶I 10CBU/g底物。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤4)脱毒过程中，活性炭用量为O.5 3w/v%,脱毒条件为40 60°C脱毒O. 5 3h。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤5)所述氮源为玉米浆、硫酸铵、醋酸铵或氯化铵。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤5)所述氮源的添加量为O.I I. Ow/
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤5)所述丁醇生产菌株为能同时利用五碳糖和六碳糖为碳源的丁醇生产菌株。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤5)所述丁醇生产菌株为NCMB8052或 ATCC55025。
全文摘要
本发明涉及生物能源领域，具体涉及一种利用竹子中的纤维素和半纤维素发酵生产丁醇的方法，具体步骤为1)预处理；2)酶解；3)固液分离；4)脱毒；5)制备发酵培养基，培养获得发酵产物；6)发酵产物精馏获得丁醇。本发明利用竹子中含量丰富的纤维素和半纤维素，将其水解得到含有葡萄糖和木糖的混合碳源，用于生物丁醇菌株的生长和发酵，不仅为竹子资源利用开发了新的途径，还可以实现竹子加工废弃物的再利用，同时为丁醇发酵提供了一种更廉价的原料。
文档编号C12P7/16GK102925496SQ20121048447
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者沈兆兵, 刘莉, 史吉平, 林增祥, 张丽丽, 姜标 申请人:上海中科高等研究院